多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)及其應(yīng)用效果

劉明文， 顧觀文， 吳文鸝

(1.重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033; 2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

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多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)及其應(yīng)用效果

劉明文1， 顧觀文2*， 吳文鸝2

(1.重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033; 2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

首先對多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)(DPEMDataPI)的功能、特點等方面進行介紹，然后對軟件系統(tǒng)與多功能電磁探測儀器配套的一個重要環(huán)節(jié)(即原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視電阻率、相位等信息)的處理過程和方法進行總結(jié)，最后在一定范圍內(nèi)與國外同類軟件比較，結(jié)果表明，本軟件系統(tǒng)在功能及反演效果方面與國外同類軟件相當(dāng)。同時通過本系統(tǒng)對實測數(shù)據(jù)的處理反演應(yīng)用說明，多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)能對多種電法數(shù)據(jù)進行處理和反演，并取得明顯效果。

電法勘探； 數(shù)據(jù)處理解釋; 軟件系統(tǒng)

0 前言

物探數(shù)據(jù)處理技術(shù)是地球物理觀測數(shù)據(jù)與形成地質(zhì)解釋成果的橋梁，電(磁)法勘探作為資源勘查的主要手段，其數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)的發(fā)展，對于提升資源勘查的質(zhì)量和效率具有重要意義。在提高電法探測儀器的研發(fā)、創(chuàng)造水平的同時，也更應(yīng)該重視數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)的研究和開發(fā)。

國外非常重視物探數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)的軟件化工作，在電(磁)勘探領(lǐng)域，軟件主要以兩種方式存在：一種方式是與探測儀器相配套的數(shù)據(jù)處理解釋軟件，如美國ZONGE公司針對其多功能電法儀器開發(fā)了包括TDIP、CSAMT/MT和TEM等方法的數(shù)據(jù)處理解釋軟件；美國AGI公司的高密度電阻率法儀器也配套了相應(yīng)的二維、三維電阻率成像軟件。另一種方式是較為通用、綜合的物探數(shù)據(jù)處理解釋軟件，如加拿大PetRos EiKon公司的EMIGMA軟件，在電磁方面主要涉及的方法包括IP、AMT、CSAMT和TEM；美國Geotomo公司針對于高密度電阻率法開發(fā)的ResXDInv電阻率成像軟件。近年來，國內(nèi)在電磁勘探的數(shù)據(jù)處理解釋領(lǐng)域發(fā)展迅速，一些科研院所和高校形成了具有自身特色的數(shù)據(jù)處理和反演技術(shù)，并將形成的技術(shù)及時集成為軟件[1]。針對于MT法有：成都理工大學(xué)開發(fā)的MT-soft[2]，石油大學(xué)的電磁勘探資料處理解釋一體化系統(tǒng)[3]，以及中國地震局地質(zhì)所的MT-Pioneer軟件[4]，這幾款軟件的主要功能為MT的數(shù)據(jù)預(yù)處理和一、二維正反演；在軟件的多功能、綜合化方面，中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所開發(fā)的電法工作站(WEM2.5)軟件集成了TDIP、AMT、CSAMT、TEM和SIP五個方法，是集數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、正反演解釋和成果輸出為一體的電法數(shù)據(jù)處理解釋系統(tǒng)[5-9]。

目前，軟件主要以綜合化和專業(yè)化方向發(fā)展。為了順應(yīng)這一發(fā)展趨勢，中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所在電法工作站軟件系統(tǒng)(WEM)的基礎(chǔ)上，完善集成開發(fā)了多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)[10-11]。軟件系統(tǒng)可與物化探所研制的大功率多功能電法儀器配套使用，也能供其他同類電法儀器觀測數(shù)據(jù)的處理和反演使用。

圖1 軟件系統(tǒng)功能組成圖

1 系統(tǒng)組成、功能、運行環(huán)境及特點

1.1 系統(tǒng)組成、功能和運行環(huán)境

多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)包括TDIP、AMT和CSAMT三種電法方法，主要功能為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、正反演計算、數(shù)據(jù)成圖和結(jié)果輸出。數(shù)據(jù)輸入功能包括TDIP、AMT和CSAMT數(shù)據(jù)的輸入；數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)曲線的編輯與圓滑、AMT數(shù)據(jù)BOSTICK轉(zhuǎn)換、CSAMT數(shù)據(jù)靜態(tài)效應(yīng)校正和近場改正等功能；正反演計算功能包括激電測深帶地形二維反演、AMT帶地形二維反演和CSAMT的一維正反演；數(shù)據(jù)成圖包括測深曲線、擬斷面、反演斷面和一維地電模型的顯示；結(jié)果輸出支持Surfer格式數(shù)據(jù)、ASCII格式文本數(shù)據(jù)、圖片和打印輸出。軟件系統(tǒng)功能組成和系統(tǒng)界面如圖1和圖2所示。系統(tǒng)可在當(dāng)前微機主流硬件配置，Windows XP/Win7操作系統(tǒng)下運行。

圖2 系統(tǒng)界面

1.2 系統(tǒng)特點

1)集成度高。系統(tǒng)在電法方面集成了TDIP、AMT和CSAMT三種方法，在功能方面集數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、正反演計算、數(shù)據(jù)成圖和結(jié)果輸出于一體。使得數(shù)據(jù)處理與反演及結(jié)果成圖可在系統(tǒng)中一體化完成，不需依賴于第三方軟件。

2)成圖功能強。系統(tǒng)具備電測深曲線、擬斷面、反演斷面(水平地形和起伏地形)成圖功能(圖3)，可將設(shè)置好參數(shù)顯示的圖件保存為圖片格式，以便報告編寫之用，也可在系統(tǒng)中直接將圖片打印輸出。

3)操作友好方便。軟件系統(tǒng)的操作流程符合行業(yè)用戶數(shù)據(jù)處理習(xí)慣和電法數(shù)據(jù)處理解釋的一般流程。數(shù)據(jù)導(dǎo)入、預(yù)處理、反演計算、數(shù)據(jù)成圖和結(jié)果輸出一體化完成，且中間環(huán)節(jié)結(jié)果和處理解釋成果在操作過程中實時可見(圖4)。

2 儀器原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

儀器原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指將儀器采集的時間域數(shù)據(jù)經(jīng)一系列處理后，轉(zhuǎn)換為后續(xù)反演軟件所需數(shù)據(jù)(原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視電阻率、相位等信息)。

2.1 AMT數(shù)據(jù)處理

要想從觀測的電磁場輸入信息中獲取可靠的阻抗估計值，必須有選擇地利用輸入、輸出信息，來選擇好數(shù)據(jù)，以獲取反應(yīng)地下地電信息的視電阻率及阻抗相位等數(shù)據(jù)資料。處理主要環(huán)節(jié)如下：

2.1.1 去直流量

在數(shù)據(jù)采集過程中，因各測點自然電位的不同，在觀測儀器的數(shù)據(jù)記錄中也就存在不同的直流偏移，在數(shù)據(jù)處理前將其去掉，所用公式為式(1)：

(1)

式中：N為樣點數(shù)。

圖3 成圖模塊

圖4 數(shù)據(jù)處理及反演操作流程圖

2.1.2 漢寧窗

為了減小截斷效應(yīng)，在譜分析前應(yīng)對時間序列加窗，修改矩形窗函數(shù)，采用漢寧窗形式：

yo=yi*0.5［1-cos(i*2π/N)],i=1,…,N

(2)

2.1.3 雙道相干度

(3)

其中：*為共軛復(fù)數(shù)。

在線性系統(tǒng)情況下，0≤Ceh≤1。在數(shù)據(jù)選擇中建議取0.5≤Ceh≤1。

2.1.4 電阻率限定

根據(jù)測區(qū)地電特征，設(shè)定觀測頻率范圍的最小最大電阻率值，以剔除干擾數(shù)據(jù)。即在某頻率范圍內(nèi)fmin-fmax，設(shè)最小最大電阻率值為ρmin-ρmax，其電磁場信號與阻抗及視電阻率間的關(guān)系為：

(4)

ρ=0.2|Z|2/f

(5)

(6)

對于設(shè)定的最小最大電阻率值，在該頻率段內(nèi)電磁場應(yīng)滿足式(7)。

(7)

根據(jù)以上所述原則，對觀測數(shù)據(jù)進行挑選和處理后，便可進入阻抗估算。

2.1.5 頻譜分析

對觀測記錄的陣列天然場時間域數(shù)據(jù)，經(jīng)過去直流及加窗處理后，進入頻譜分析，以求取各測點需要頻率的電場及磁場之幅值和相位數(shù)據(jù)，采用的是512數(shù)據(jù)點的快速傅立葉變換，同時獲取14個頻率點的幅值和相位。

2.1.6 阻抗計算

(9)

其中：*為共軛復(fù)數(shù)；Z為待求阻抗值；N為總的觀測疊加次數(shù)。

求得阻抗后，利用ρ=0.2T|z|2，φ=arg(z)可求得視電阻率及阻抗相位。

2.2 CSAMT數(shù)據(jù)處理

多功能電磁探測儀系統(tǒng)，其發(fā)射波形為多頻組合方波，多頻組合方波的采用有利于增加資料頻點的密度，使每頻率數(shù)量級的頻點達到20個，獲取更多的信息，采用多頻組合方波進行發(fā)射，要求接收機寬帶接收，接收資料后需進行資料濾波處理，才有利于獲取高質(zhì)量的處理結(jié)果。

針對上述CSAMT的信號特點，研究開發(fā)了實用的CSAMT信號提取和處理技術(shù)[12]，該技術(shù)的處理流程如下：

1)對原始記錄資料進行解編。

2)采用幅值相位比較法，對各采集頻組的時間域資料進行頻譜分析，分選出工業(yè)干擾頻率及其諧波(50 Hz、150 Hz、250 Hz、350 Hz、450 Hz、550 Hz)的特征—幅值、相位，對分選出的工業(yè)干擾幅值和相位資料，經(jīng)過反變換在時間域資料序列中予以去除。

3)對各采集頻組，依據(jù)相應(yīng)的多頻方波頻率范圍，采用加窗法設(shè)計帶通濾波器，濾除高于和低于頻率范圍的干擾。

4)采用整周期疊加法，對濾波后的時間域資料進行疊加，進一步濾除隨機干擾(如天然電磁場)的影響。

5)對疊加后的資料予以選頻計算，選出需要頻率點的幅值和相位。

6)對計算所得各測點電磁場資料的幅值和相位，經(jīng)儀器響應(yīng)參數(shù)改正及歸一化后，計算各頻率點的視電阻率與阻抗相位以及均方相對誤差信息。

3 與同類電法軟件比較

作者在日常電法數(shù)據(jù)處理解釋中，使用多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)的同時，也使用國、內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的同類電法軟件，并進行反演情況比較。

3.1 與Res2DInv電阻率成像軟件比較

采用作者介紹的多功能電法數(shù)據(jù)處理軟件中的激電測深反演程序和Res2DInv電阻率成像軟件對某測區(qū)的300線視電阻率數(shù)據(jù)進行二維反演(圖5、圖6及圖7)，從兩套軟件的反演結(jié)果來看，反演斷面均能反映出U型沖溝對應(yīng)的高阻異常，異常在橫向和縱向歸位基本一致。

圖5 實測視電阻率擬斷面

圖6 正演視電阻率擬斷面

圖7 300線反演電阻率斷面及異常

圖8 CSAMT數(shù)據(jù)反演電阻率斷面

3.2 與CSINV軟件比較

CSINV為美國Zonge公司GDP32儀器配套的CSAMT一維反演軟件，采用多功能電法數(shù)據(jù)處理軟件中的CSAMT一維反演程序和CSINV反演程序?qū)δ硿y區(qū)CSAMT數(shù)據(jù)進行反演(圖8)。從兩款程序的反演電阻率斷面(圖8(a)和圖8(b))均可以看出，在橫向500 m至800 m之間，深度1 200 m至950 m之間，存在傾斜狀低阻異常體。

4 應(yīng)用實例

4.1 某礦區(qū)激電測深數(shù)據(jù)和CSAMT數(shù)據(jù)的反演

采用多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋系統(tǒng)中的激電測深二維反演程序和CSAMT一維反演程序分別對內(nèi)蒙某工區(qū)的500線相位激電和CSAMT資料進行反演。

4.1.1 觀測裝置及參數(shù)

偶極激電測深采用軸向偶極—偶極裝置，觀測參量為視電阻率ρs和絕對相位φs。野外工作裝置如圖9所示。供電極距AB=80 m、接收極距MN=80 m，點距為40 m，隔離系數(shù)n=1～12。

圖9 相位激電軸向偶極-偶極裝置示意圖

CSAMT采用赤道偶極標(biāo)量觀測方式，發(fā)射源AB=3 000 m，收發(fā)距約9 km，點距=40 m，觀測頻率范圍為 0.312 5 Hz～8 000 Hz。

4.1.2 反演情況

對于激電數(shù)據(jù)采用激電測深二維反演程序?qū)σ曤娮杪屎鸵曄辔贿M行反演，反演初始模型為均勻半空間，該物性值分別為記錄點的平均視電阻率和平均視相位。反演迭代5次，RMS(均方誤差)為13 %，從圖10可以看出，實測和正演視電阻率擬斷面以及實測和正演視相位擬斷面形態(tài)相似程度高。

圖10 反演結(jié)果圖

對于CSAMT數(shù)據(jù)，采用CSAMT擬二維反演程序?qū)θl段(0.312 5 Hz～8 000 Hz)的視電阻率和相位數(shù)據(jù)進行反演，首先將數(shù)據(jù)進行BOSTICK轉(zhuǎn)換，以轉(zhuǎn)換后的結(jié)果作為一維反演的初始模型，首輪反演迭代次數(shù)為3次，反演完成后，針對擬合情況不滿意的測點進行繼續(xù)迭代反演，直到擬合誤差在可接受范圍為止，本測線共62個測點，擬合差在15 % 以內(nèi)為51個測點，在20 %左右為11個測點。圖11為第41號測點的實測曲線與正演曲線的擬合情況,從圖11可以看出，實測曲線和正演曲線形態(tài)一致，數(shù)值基本處于同一范圍。

圖11 500線41號點實測曲線與正演曲線擬合圖

圖12 500測線上獲取的綜合異常

圖12為500線激電測深和CSAMT數(shù)據(jù)反演斷面(由藍(lán)色漸變至紅色對應(yīng)低值漸變至高值)及中梯激電剖面曲線，從圖12可以看出，礦致異常在相位和電阻率反演斷面有明顯反映，異常位置與中梯剖面曲線激電異常位置對應(yīng)一致。

4.2 某礦區(qū)AMT數(shù)據(jù)的反演

圖13為采用多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋系統(tǒng)中的AMT二維反演程序，對在西部高原某已知礦區(qū)所取得的實際數(shù)據(jù)經(jīng)反演解釋后得到的電阻率與地質(zhì)資料對比的斷面圖，從圖13可見，反演解釋結(jié)果與已有地質(zhì)資料相對應(yīng)，反映出礦化及含礦異常體的空間分布。

圖13 某測線AMT數(shù)據(jù)二維反演電阻率斷面圖

5 結(jié)論

1)多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)，可對激電測深數(shù)據(jù)、AMT數(shù)據(jù)和CSAMT數(shù)據(jù)進行處理和反演，可在系統(tǒng)中集數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、反演計算、數(shù)據(jù)成圖和結(jié)果輸出一體化完成。

2)通過多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)，與國外同類軟件對同一實測數(shù)據(jù)反演效果的比較，結(jié)果表明，多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)在主要功能及反演效果方面與國外同類軟件相當(dāng)。

3)通過多功能電法數(shù)據(jù)處理解釋軟件系統(tǒng)的IP激電測深、CSAMT和AMT數(shù)據(jù)處理及反演程序在不同礦區(qū)中的應(yīng)用，表明處理及反演結(jié)果合理有效，說明軟件系統(tǒng)具備較高程度的實用性。

4)軟件系統(tǒng)能與中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所的多功能電磁探測儀器配套使用。

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The software system of multifunction geoelectrical data processing and interpretation

LIU Ming-wen1, GU Guan-wen2*, WU Wen-li2

(1.Chongqing Geological Instrument Factory, Chongqing, 400033,China; 2. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, 065000, China)

Firstly, We introduce the functions and characteristics of the multi-function geoelectrical prospecting data processing and interpretation software system. Then, we summarizes the process and method of the important link of the software system with multi-function electromagnetic instruments (i.e., transfer the raw data into apparent resistivity and phase information). Finally, we shows the results that the function and inversion effects of the DPEM data PI is similar to foreign software by compare to foreign software within a certain range. We apply the software system to the measured data processing and inversion. The application shows, that the multifunction geoelectrical data processing and interpretation software system is capable of a variety of geoelectrical data processing and inversion. This achieved evident results. At the same time, the software system can be used with the electromagnetic detection equipment supporting the use of multi-functional of the institute of geophysical and geochemical exploration of Chinese academy of geological sciences .

geoelectrical prospecting; data processing and interpretation; software system

2015-02-03 改回日期：2015-04-20

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2011YQ05006005,2011YQ05006006)

劉明文(1966-)，男，高級工程師，從事電法儀器方法研究，E-mail：297181321@qq.com。

*通信作者：顧觀文(1975-)，男，教授級高工，主要從事電(磁)法正反演研究及其軟件的研制，E-mail：guguanwen@igge.cn。

1001-1749(2015)04-0444-08

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.04.06